3. Natura quantistica di fotoni e particelle materiali
Le particelle utilizzate per studiare i mezzi materiali obbediscono alle regole della meccanica
quantistica. La loro natura perciò è duale, nel senso che le particelle possono essere considerate a
volte come dei corpuscoli a volte come delle onde. Questo vale tanto per le onde
elettromagnetiche, la cui versione corpuscolare sono i fotoni, e anche per gli elettroni, la cui
versione ondulatoria sono le onde associate di De Broglie (che ci sono anche per tutte le altre
particelle, compresi gli atomi e le molecole).
La differenza principale tra i fotoni e le altre particelle è che sono privi di massa, e questo comporta
una differenza nelle leggi che mettono in relazione la proprietà corpuscolari con quelle ondulatorie.
I fotoni sono le “particelle” di luce che possiedono un’energia E che dipende dalla frequenza ν in
base alla relazione di Plank:
E = hν
Posso poi ricavare la relazione che lega il momento dei fotoni alla loro lunghezza d’onda λ
ricordando che νλ = c e il fatto che E = pc:
E = hν = h
c
h
= pc → p =
λ
λ
Queste relazioni si possono anche scrivere nei termini della pulsazione ω = 2πν e del numero
d’onda k = 2π / λ:
E = ħω, p = ħk
Dove ħ = h / 2π (h-bar).
L’ipotesi di De Broglie fu proprio che queste relazioni debbano valere sia per i fotoni che per le
particelle materiali. Nel caso di fotoni ed elettroni quindi abbiamo che:
Fotoni
Aspetto ondulatorio
Aspetto corpuscolare.
Gli esperimenti dicono che gli scambi di energia
λ = lunghezza d’onda
della radiazione elettromagnetica sono multipli
ν = frequenza
8
c = velocità di propagazione = 3 x 10 m/s (in della sua frequenza (ipotesi di Plank,
spiegazione
di
Einstein
dell’effetto
vuoto)
fotoelettrico):
hc
λν = c
E = energia di un fotone = h ν =
λ
h = costante di Planck = 6.62 x 10-34 Js = 4.13 x
10-15 eVs
Il fotone ha massa zero e quindi, dalla formula
relativistica, si ricava la nota relazione tra
energia e momento di un’onda elettromagnetica:
E = cp
da cui:
p=
E
hv h
=
=
c
λ
c
si ricava immediatamente il legame tra la
lunghezza d’onda λ del fotone e la sua energia
E:
λ=
hc
E
Se si esprime l’energia in keV e la lunghezza
d’onda in Å (1 Å = 10-10 m) si ha:
λ (Å) =
12.4
E (keV)
Elettroni
Aspetto ondulatorio
Lunghezza d’onda di De Broglie dell’elettrone
λ=
h
=
p
h
2mE
Aspetto corpuscolare.
E = energia dell’elettrone
p = quantità di moto dell’elettrone
E=
p2
2m
Se si esprime l’energia in eV e la lunghezza
m = massa a riposo dell’elettrone = 9x10-31 kg
d’onda in Å si ha:
λ(Å) =
12
E (eV)
Nota. Se si considerano altre particelle materiali
(che sono diverse perché diversa è la loro massa)
vale sempre la relazione precedente ma con
coefficienti numerici diversi. Nel caso dei
neutroni ad esempio, molto più pesanti degli
elettroni, nella formula precedente al posto del
12 si ha 0.28.
Nota. Questa è la relazione classica tra energia e
momento di una particella, se si parte da quella
relativistica e si fa uno sviluppo in serie, p2/2m è
il primo termine.
4. Lo spettro elettromagnetico
Le equazioni di Maxwell ci dicono che possono esistere onde elettromagnetiche di qualsiasi
lunghezza d’onda ovvero a tutte le frequenze. Nell’ambito dei fenomeni naturali o in seguito a
esperienze appositamente realizzate, è stato possibile osservare e produrre onde elettromagnetiche
in un amplissimo intervallo di lunghezza d’onda (frequenza). L’insieme di tutte queste onde viene
chiamato “spettro elettromagnetico”.
I fenomeni fisici coinvolti nella generazione e nell’osservazione di tutte queste onde sono
innumerevoli e per ciascun intervallo dello spettro si sono sviluppate branche specifiche della
scienza e della tecnologia. Senza troppe pretese faremo ora una panoramica dello spettro
elettromagnetico visitandone le regioni di lunghezza d’onda progressivamente decrescente. Nel
descrivere ciascuna delle regioni dello spettro elettromagnetico cercheremo di evidenziare le più
importanti applicazioni di quel tipo di onde, illustrando i principi fisici che si utilizzano per
generarle.
Per quanto riguarda quest’ultimo aspetto, pur essendo numerosissime le modalità di generazione,
tutte hanno in comune un aspetto, che già conosciamo: per produrre onde elettromagnetico è
necessario accelerare delle cariche elettriche. Tipicamente, per produrre onde in modo continuo è
necessario far oscillare periodicamente le cariche elettriche. Si deve cioè disporre, per ciascun
intervallo di frequenze, di un opportuno oscillatore di carica. Lo studio dell’oscillatore armonico
meccanico ci ha insegnato che la frequenza di oscillazione dipende dalla rigidità della molla. Nel
caso delle cariche elettriche, per generare onde di frequenza crescente, si devono utilizzare
oscillatori sempre più rigidi e questo, come vedremo, significa usare oscillatori sempre più piccoli.
Le onde radio
Il termine “onde radio” comprende una vastissima regione dello spettro, nella quale vengono
incluse tutte le onde elettromagnetiche la cui lunghezza d’onda è superiore ad alcuni metri.
Trattandosi di uno spettro così ampio la tecnologia ha coniato molti termini specifici per
suddividere in modo più fine le onde radio in base alla loro lunghezza d’onda: onde lunghe, onde
medie, onde corte, eccetera. In generale, queste onde trovano la loro applicazione nella trasmissione
dei segnali radio. Per fare un esempio, le normali stazioni radio FM trasmettono i loro segnali
utilizzando onde elettromagnetiche ad una frequenza intorno a 100 MHz (1 Megahertz = 106 Hz)
cui corrisponde una lunghezza d’onda di circa 3 m.
Per generare le onde radio si utilizzano circuiti elettronici che fanno oscillare le cariche libere in un
conduttore (l’antenna trasmittente) alla frequenza desiderata. A loro volta, le onde emesse mettono
in oscillazione le cariche presenti all’interno dell’antenna ricevente, anch’essa un conduttore.
Queste oscillazioni pilotano un ulteriore circuito elettronico che amplifica l’intensità del segnale
raccolto dall’antenna e lo trasforma, nel caso della radio, in un segnale audio.
Le microonde
Le microonde sono caratterizzate da una lunghezza d’onda che va da pochi metri a pochi millimetri.
Questa regione dello spettro è diventata importante durante la seconda guerra mondiale, quando
venne sviluppato il radar, un dispositivo in cui le microonde vengono emesse da un’antenna per
poi essere riflesse dall’oggetto di cui si vuole rilevare la presenza, ad esempio un aereo o una nave.
Misurando il tempo trascorso dall’emissione delle microonde al momento in cui le onde riflesse
tornano al punto di partenza (dove è installata anche l’antenna ricevente), è possibile stabilire la
distanza dell’oggetto che ha prodotto la riflessione.
Le frequenze delle microonde sono in genere molto elevate: si consideri, ad esempio, che un’onda
di 3 mm ha una frequenza di 100 GHz (1 Gigahertz = 109 Hz). Attualmente i dispositivi elettronici
sono in grado di operare normalmente fino a frequenze dell’ordine di alcune decine di GHz. Un
esempio di apparecchiatura elettronica di largo consumo che sfrutta le microonde sono i telefoni
cellulari, che operano a frequenze di 1.8 GHz. Il panorama delle applicazioni delle microonde è
comunque destinato ad aumentare grazie al rapido sviluppo dei dispositivi elettronici.
Per la generazione delle microonde, soprattutto per segnali di una certa potenza, il metodo più
utilizzato si basa sull’impiego di apposite valvole nelle quali gli elettroni emessi da un filamento
vengono fatti oscillare in vuoto. Uno di questi dispositivi è il klystron, che viene utilizzato nei
comuni forni a microonde dove la frequenza generata è di 2.45 GHz.
L’infrarosso
Per “radiazione infrarossa” si intendono le onde elettromagnetiche di lunghezza d’onda compresa
fra alcuni millimetri e alcuni micron (1 µm = 10 m). Per generare onde di questo tipo non è
possibile utilizzare, allo stato attuale della tecnologia, circuiti elettronici, perché le frequenze in
gioco sono troppo elevate. Si devono quindi sfruttare i dispositivi già esistenti in natura, nei quali le
cariche elettriche oscillano spontaneamente alle frequenze desiderate. Un esempio di sistema
oscillante la cui frequenza di risonanza si trova in questa regione dello spettro elettromagnetico è
costituito dalle molecole. Consideriamo ad esempio la molecole dell’anidride carbonica, che
−6
contiene un atomo di carbonio al quale sono legati due atomi di ossigeno. I tre atomi sono allineati
fra loro, con l’atomo di carbonio in posizione centrale. Gli atomi di ossigeno possono vibrare,
proprio come delle molle, intorno alla loro posizione di equilibrio. La frequenza di oscillazione
connessa con le vibrazioni della molecola di anidride carbonica è tale per cui quando gli atomi
(costituiti da particelle cariche) oscillano, vengono emesse onde elettromagnetiche di lunghezza
d’onda pari a circa 10 µm. È su questo fenomeno fisico che si basa la produzione di luce infrarossa
nei LASER a CO2 comunemente utilizzati nell’industria per il taglio dei metalli.
Le vibrazioni degli atomi che costituiscono la materia sono quindi responsabili dell’emissione di
onde elettromagnetiche di tipo infrarosso. Quando si parla di vibrazioni atomiche è immediato
pensare all’agitazione termica degli atomi. A temperatura ambiente (circa 300 K) sappiamo che gli
atomi nella materia si trovano in uno stato di continua agitazione e, trattandosi di cariche in
movimento, per quanto affermato in precedenza è lecito attendersi che a queste vibrazioni sia
associata la generazione di onde elettromagnetiche nella regione dell’infrarosso. In effetti questo è
proprio ciò che si verifica: tutti i corpi emettono radiazione elettromagnetica a una lunghezza
d’onda che dipende dalla temperatura. Per temperature relativamente basse, la maggior parte della
radiazione emessa è di tipo infrarosso. Questo è per esempio il caso degli organismi viventi a
sangue caldo, che si trovano a una temperatura superiore rispetto all’ambiente in cui si muovono.
Questa differenza di temperatura fa si che gli organismi viventi, per esempio gli esseri umani,
emettano una maggiore quantità di radiazione infrarossa rispetto all’ambiente circostante. Questo
fenomeno fisico viene sfruttato nei sistemi di sorveglianza con i quali, utilizzando delle particolari
telecamere sensibili alla radiazione infrarossa, è possibile visualizzare l’immagine di persone o
animali anche di notte, in assenza di luce visibile.
La legge di Wien, detta anche legge dello spostamento di Wien, consente di individuare per quale
lunghezza d'onda λmax è massima l'emissione radiativa di un corpo nero di massa generica posto ad
una certa temperatura T assoluta.
dove
La luce visibile
Le onde elettromagnetiche la cui lunghezza d’onda è compresa fra 0.8 µm e 0.4 µm hanno un ruolo
molto importante nella nostra esistenza. Infatti, nonostante si tratti di un intervallo così piccolo
dello spettro elettromagnetico, al suo interno ritroviamo tutto ciò che, nel linguaggio comune, è
conosciuto come “luce”. La visione, il nostro principale canale di comunicazione con la realtà,
funziona perché le onde di questa specialissima regione dello spettro possono essere rivelate con
incredibile efficienza da quel capolavoro di ingegneria che è l’occhio. Le straordinaria possibilità di
questo sensore risultano evidenti in base a due diverse considerazioni.
Innanzitutto la sua sensibilità. L’occhio umano è in grado di rivelare segnali di luce debolissimi e,
allo stesso tempo, di vedere correttamente in condizioni di forte illuminazione, come ad esempio
accade in pieno giorno. L’altro aspetto è la sensibilità dell’occhio umano alla lunghezza d’onda
della radiazione elettromagnetica nello spettro del visibile. L’enorme varietà di colori che il nostro
occhio è in grado di percepire ne è una prova. Il colore, infatti, dipende dalla composizione in
lunghezza d’onda della luce. Scorrendo l’intervallo di lunghezze d’onda della luce visibile,
partendo da quelle maggiori, si passa dal rosso, al verde, al giallo, al blu.
La frequenza della luce visibile è dell’ordine di 1015 Hz. Gli elettroni esterni degli atomi possono
oscillare a queste frequenze, e infatti la luce visibile viene di solito generata in questo modo. Anche
l’agitazione termica delle cariche di cui sono costituiti gli atomi può dar luogo all’emissione di luce
visibile e, al crescere della temperatura, diminuisce la lunghezza d’onda delle onde
elettromagnetiche emesse. A temperatura ambiente, come visto in precedenza, si osserva emissione
di luce infrarossa. A temperature dell’ordine di 1000 K si osserva l’emissione di luce visibile. Un
esempio di questo tipo di emissione è fornito dai corpi incandescenti, per esempio un pezzo di
metallo arroventato sul fuoco. Per temperature ancora più elevate la lunghezza d’onda della luce
emessa diminuisce ulteriormente. A una temperatura di 6000 K la luce emessa appare al nostro
occhio bianca, anche se in realtà è una miscela di molte lunghezze d’onda cui corrispondono tutti i
colori dell’iride. È proprio questo il principio fisico su cui si basa la sorgente di luce più importante,
il sole, la cui temperatura superficiale è appunto di circa 6000 K.
La luce ultravioletta
Quando la lunghezza d’onda della luce è più piccola di 0.4 µm, il limite inferiore dello spettro
visibile, si parla di luce ultravioletta, per lo meno fino a lunghezze d’onda dell’ordine di alcune
decine di nm (1 nanometro = 10-9 m). Questa è una delle regioni meno esplorate dello spettro
elettromagnetico. Limitiamoci a dire che, anche in questo caso, per generare onde di questa
lunghezza d’onda si utilizzano le vibrazioni degli elettroni esterni degli atomi.
I raggi X
Quando la lunghezza d’onda assume valori più piccoli di qualche decina di nm si parla di
radiazione X. Per poter emettere onde elettromagnetiche di questo tipo bisogna mettere in
movimento gli elettroni interni degli atomi, che oscillano a frequenze molto più elevate di quelli
esterni. Per questa regione dello spettro esistono tuttavia altri possibili meccanismi di generazione.
La scoperta dei raggi X avvenne, casualmente, facendo incidere un fascio di elettroni, accelerati da
un campo elettrico, su un elettrodo di metallo. In questo processo gli elettroni perdono molto
rapidamente l’energia cinetica guadagnata e la brusca decelerazione che subiscono porta
all’emissione di onde elettromagnetiche di tipo X. È su questo principio che operano i tubi a raggi
X utilizzati in medicina.
Un’altra importante sorgente di radiazione X è rappresentata dai sincrotroni. Si tratta di grandi
macchine nelle quali un fascio di elettroni viene fatto circolare lungo un orbita poligonale. Per
alcuni tratti gli elettroni viaggiano lungo una traiettorie rettilinea in modo inerziale. In alcuni punti
però sono collocati dei potenti magneti che deflettono la loro traiettoria. Dopo aver subito un certo
numero di opportune deviazioni, gli elettroni si ritrovano al punto di partenza e quindi continuano a
circolare lungo l’orbita. La velocità a cui vengono fatti muovere gli elettroni è molto elevata, molto
prossima a quella della luce, e le energie cinetiche corrispondenti sono dell’ordine dei GeV (1 Giga
elettronvolt = 109 eV). Quando elettroni così energetici subiscono una deflessione a opera dei campi
magnetici si ha un’accelerazione e, di conseguenza, anche l’emissione di onde elettromagnetiche su
uno spettro abbastanza ampio che abbraccia la regione dei raggi X.
I raggi gamma
Si parla di raggi gamma per indicare le radiazioni emesse nel corso dei processi in cui sono
coinvolte le particelle nucleari, cioè i protoni e i neutroni. Nei nuclei le particelle si trovano a stretto
contatto sotto l’azione di forze molto intense, e quindi le loro frequenze di oscillazione sono molto
più elevate di quelle degli elettroni atomici. Di conseguenza, anche la lunghezza d’onda delle onde
elettromagnetiche emesse è molto più piccola, dell’ordine dei pm (1 pm = 10-12 m) o meno. Le onde
elettromagnetiche di lunghezza d’onda più piccola fino ad ora osservate sono quelle presenti nei
raggi cosmici, radiazioni di origine spesso ignota che raggiungono la terra dallo spazio.